Как свет может изменить электронные устройства будущего

В течение предыдущих четырех десятилетий индустрия электронных устройств развивалась согласно так называемому «закону Мура». Строго говоря, это – не закон, а, скорее, аксиома или наблюдение.

Закон Мура гласит, что скорость и производительность работы электронных устройств каждые два года удваиваются. В самом деле, мы наблюдаем, как технические компании ежегодно предлагают нам более новые, более быстрые, более умные и просто лучшие гаджеты. В формулировке Гордона Мура, соучредителя Intel, закон звучит так: «Количество транзисторов, помещающихся в чип, будет приблизительно удваиваться каждые 24 месяца».

Транзисторы – это крошечные электрические переключатели, которые являются основополагающими блоками, благодаря которым работают любые электронные устройства. Помимо того, что они постоянно уменьшаются в размерах, они становятся быстрее и потребляют меньше энергии в процессе работы.

Один из ключевых вопросов в мире технологий 21 века – несколько маленького размера нам удастся  сделать транзисторы? Если существует физическое ограничение по размеру, то мы можем однажды приблизиться к точке, после которой изготовление устройств, обладающих меньшим размером, меньшей потребляемой мощностью и более высокой эффективностью, станет невозможным. Только в США ежегодный доход этой индустрии составляет более $200 млрд. Может ли она остановиться в развитии?

В настоящее время, такие компании, как Intel, в изделиях массового производства применяют транзисторы сечением 14 нм, что всего в 14 раз толще, чем молекула ДНК. Они изготавливаются из кремния, второго по распространенности материала на нашей планете. Размер атома кремния – около 0.2 нм. Таким образом, сегодняшние транзисторы имеют размер примерно в 70 атомов кремния, поэтому возможность делать их еще меньше постепенно сокращается. Человечество очень близко подошло к пределу снижения размеров транзисторов.

Транзисторы взаимодействуют между собой с помощью электрических сигналов – электронов, перемещающихся из одного места в другое. Если бы человек научился вместо электричества использовать свет, состоящий из фотонов, удалось бы значительно ускорить работу транзисторов. Работа над интеграцией световых процессов в существующие чипы, уже начинает проводиться.

Классический транзистор состоит из трех частей. Его устройство можно сравнить с цифровым фотоаппаратом. Сначала информация поступает в объектив, что соответствует истоку транзистора. Затем она проходит через канал от светочувствительной матрицы до электронной схемы внутри фотоаппарата. И наконец, информация сохраняется в карте памяти фотоаппарата, которая аналогична стоку транзистора; это – конечный пункт прибытия информации.

В настоящее время, все это происходит за счет перемещения электронов. Чтобы использовать в качестве проводника свет, нужно перемещать фотоны. Элементарные частицы, такие как электроны и фотоны, подчиняются волновому движению – они колеблются вверх-вниз, даже когда перемещаются в одном направлении. Длина волны зависит от среды, через которую проходит частица. В кремнии, наиболее  эффективная длина волны для фотонов – 1.3 мкм. Это очень мало; толщина человеческого волоса равна примерно 100 мкм. Но размер электронов кремния еще меньше, их длина волны в 50 – 1000 раз короче, чем у фотонов.

Это означает, что оборудование для работы с фотонами должно быть более крупным, чем сегодняшние устройства, работающие с электронами. Таким образом, складывается впечатление, что размер транзистора не уменьшится, а увеличится. Однако есть две причины, почему удастся сохранить тот же размер при повышении производительности, уменьшить размер при сохранении производительности или достичь улучшения обоих показателей.

Во-первых, фотонному чипу требуется только несколько источников света, генерирующих фотоны, которые затем могут циркулировать в чипе с очень маленькими линзами и зеркалами.

Во-вторых, свет гораздо быстрее электронов. В среднем, фотоны могут перемещаться в чипе в 20 раз быстрее, чем электроны. Это означает, что компьютер может работать в 20 раз быстрее – с помощью современных технологий, для достижения такого прироста скорости потребовалось бы около 15 лет.

За последние годы ученые достигли определенного прогресса в разработке фотонных чипов. Ключевой вызов здесь – обеспечить совместимость новых световых чипов с существующими электронными. Если бы удалось придумать, как это сделать, или даже использовать световые транзисторы для усиления электронных, мы бы достигли значительного повышения производительности.

Когда появится ноутбук или смартфон на базе световой технологии?

Предстоит пройти еще определенный путь, прежде чем первое бытовое устройство выйдет на рынок; для этого потребуется время.

Первый транзистор был изготовлен в 1907 году и был построен на вакуумных лампах, средний размер которых составлял от 2 до 15 см в высоту.

К 1947 году появились транзисторы в их нынешнем виде – те самые, которые теперь имеют толщину 14 нм, хотя сначала имели размер 40 мкм (примерно в 3000 раз больше).

В 1971 году на рынок был выпущен первый коммерческий микропроцессор (сердце любого электронного гаджета), он был в 1000 раз крупнее нынешних экземпляров.

Те обширные исследования и соответствующий эволюционный процесс, который происходил в электронной индустрии, сейчас только начинается в индустрии фотонной. Поэтому существующие электронные устройства пока способны решать гораздо более сложные задачи, чем лучшие из существующих образцов фотонных устройств.

Но по мере продвижения исследований, возможности световых чипов достигнут и, в конечном итоге, превзойдут производительность электронных. Каким бы долгим ни был этот путь, будущее фотоники будет ярким.

Открыть счет для торговли акциями высокотехнологичных компаний